[論文レビュー] Teechan: Payment Channels Using Trusted Execution Environments

Joshua Lind, Ittay Eyal+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2016

Distributed systems and fault tolerance参考文献 10被引用数 43

ひとこと要約

Teechanは、Bitcoinのプロトコルを変更せずに、Intel SGXベースの信頼実行環境（TEE）を活用したフルデュプレックス支払いチャネルプロトコルを導入する。これにより、プロトコル変更なしに高スループット・低レイテンシのマイクロペイメントが可能になる。最大2,480件の取引/秒を達成し、ミリ秒未塔のレイテンシを実現。チャネルの信用限度内で無制限の双方向支払いが可能で、チャネル活動にかかわらず合計でたった2件のブロックチェーン取引で済む。

ABSTRACT

Blockchain protocols are inherently limited in transaction throughput and latency. Recent efforts to address performance and scale blockchains have focused on off-chain payment channels. While such channels can achieve low latency and high throughput, deploying them securely on top of the Bitcoin blockchain has been difficult, partly because building a secure implementation requires changes to the underlying protocol and the ecosystem. We present Teechan, a full-duplex payment channel framework that exploits trusted execution environments. Teechan can be deployed securely on the existing Bitcoin blockchain without having to modify the protocol. It: (i) achieves a higher transaction throughput and lower transaction latency than prior solutions; (ii) enables unlimited full-duplex payments as long as the balance does not exceed the channel's credit; (iii) requires only a single message to be sent per payment in any direction; and (iv) places at most two transactions on the blockchain under any execution scenario. We have built and deployed the Teechan framework using Intel SGX on the Bitcoin network. Our experiments show that, not counting network latencies, Teechan can achieve 2,480 transactions per second on a single channel, with sub-millisecond latencies.

研究の動機と目的

• Bitcoinの低スループットと高レイテンシを解決するために、プロトコル変更なしにオフチェーンマイクロペイメントを可能にする。
• 従来の支払いチャネルの制限（単方向通信、チャネル枯渇、プロトコルレベルの変更依存）を克服する。
• 信頼実行環境（TEE）を用いて、セキュアでスケーラブルかつ効率的な支払いチャネルフレームワークを提供する。
• 改ざんされたOS、ハイパーバイザー、ネットワークコンponentに対しても、機密性、完全性、可用性の強固なセキュリティ保証を確保する。
• 最小限のブロックチェーンフットプリントと低レイテンシを実現するフルデュプレックス・同時支払いを可能にする。

提案手法

• Intel SGXを用いて、支払いチャネルのロジックと秘密鍵を信頼できないソフトウェアおよびハードウェアから隔離・保護する。
• マルチシグネチャ・タイムロック取引を採用することで、プロトコル変更なしに長期間にわたる支払いチャネルを確立する。
• 各支払いが一方方向に対して1回のメッセージのみを必要とするプロトコルを設計し、フルデュプレックス通信を実現する。
• 有効な状態は常に最新のもののみであり、無効な状態は相手側によって検出可能であることを保証する。
• すべてのシナリオにおいてブロックチェーン使用を正確に2件に制限する：1件はチャネル設定、1件は決済。
• TEEを用いて、いかなる状況下でも、当事者が現在のネットバランスを超えて資金をアクセスできないように強制する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既存のBitcoinブロックチェーン上で、プロトコルレベルの変更なしに支払いチャネルプロトコルを構築可能か？
• RQ2 信頼実行環境（TEE）を用いて、信頼できない支払いチャネルシステムにおいて強固なセキュリティ保証を達成可能か？
• RQ3 フルデュプレックス支払いチャネルが、セキュリティを損なわず、ミリ秒未塔のレイテンシと高スループットを実現可能か？
• RQ4 TEEを用いて、チャネル枯渇を排除し、信用限度内で無制限の双方向支払いを可能にするか？
• RQ5 チャネル活動にかかわらず、たった2件のブロックチェーン取引で済ませられるか？

主な発見

• Teechanは最適な条件下で1つのチャネルで2,480件/秒の取引スループットを達成し、従来のオフチェーンソリューションを大きく上回る。
• エンドツーエンドの取引レイテンシは最小0.40ミリ秒であり、個々の支払いにおいてミリ秒未塔のパフォーマンスを実証した。
• チャネルの信用限度を超えない限り、無制限のフルデュプレックス支払いが可能であり、チャネル枯渇の問題が解消された。
• 支払い件数にかかわらず、合計でたった2件のブロックチェーン取引で済むため、オンチェーン負荷が顕著に削減された。
• OS、ハイパーバイザー、ネットワークが改ざんされても、秘密鍵とロジックがTEEによって隔離されているため、セキュリティが維持される。
• システムは現在のBitcoinネットワークと完全に互換性があり、プロトコルやコンSENSUSメカニズムの変更を必要としない。